《Materials Science and Engineering: A》：A novel La micro-alloying approach for microstructure and high-temperature performance improvement of LPBF-fabricated GH4169 superalloy
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•在650°C/760 MPa条件下，经过La改性的合金的抗应力断裂寿命和伸长率分别达到46.6小时和6.2%。•在650°C时，该La改性合金的抗拉强度（UTS）为1165 MPa，延展率为25.5%。•La能够将晶间针状δ相转变为颗粒状和短棒状形态。•La显著细化了晶内γ″/
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在650°C/760 MPa条件下，经过La改性的合金的抗应力断裂寿命和伸长率分别达到46.6小时和6.2%。
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在650°C时，该La改性合金的抗拉强度（UTS）为1165 MPa，延展率为25.5%。
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La能够将晶间针状δ相转变为颗粒状和短棒状形态。
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La显著细化了晶内γ″/γ′相，并增加了它们的数量密度。
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La提高了Nb的扩散能垒，从而抑制了有害相的形成。
引言
镍（Ni）基超级合金是航空发动机关键热部件的重要材料[[1], [2], [3]]，在极端条件下具有优异的高温蠕变和耐腐蚀性能，以确保可靠性。GH4169（商业名称为IN718）占GE公司CF6发动机总质量的34%，以及中国太航发动机总重量的30%以上。为了实现高温抗性和推重比等综合性能，发动机部件的结构设计通常非常复杂。虽然增材制造（AM），特别是激光粉末床熔融（LPBF）技术，与传统方法相比在制造复杂结构部件方面提供了极大的设计自由度[4,5]，但GH4169在650°C长时间使用后其蠕变强度和伸长率通常会下降，这限制了其在高温应用中的充分使用。许多研究致力于通过热处理[[6], [7], [8]]或成分调节[[9], [10], [11]]来改善其高温性能。本研究重点探讨了添加0.14 wt%镧（La）对LPBF制备的GH4169经过热处理后的微观结构和高温性能的影响。
向镍基超级合金中引入稀土（RE）元素如Y、La、Ce、Sc、Ta[[12], [13], [14], [15], [16]]，由于它们的活性化学性质，可以为机械性能的改善提供有效途径。然而，最近的研究表明，Ce可能会降解MC碳化物并加速γ′相的粗化速率，从而降低抗应力断裂寿命[17]。Y的添加似乎对γ″相的大小和比例没有显著影响，而且它还可能与基体元素结合生成脆性的Ni5Y相，促进裂纹的萌生和扩展[9]。Sc/Ta的提取比Y/La更困难且成本更高，而La则能更好地影响强化相的位置、形状和体积分数。例如，La改善了马氏体时效钢中B2-NiAl团簇的热力学驱动力和排序，从而促进了时效硬化和强度的提升[18]。Medrano Prieto等人[19]发现微量La可以细化IN718中的碳化物、氧化物和δ相的大小。他们还表明，0.3 wt%的La-Ce-Nd-Pr混合物由于高热稳定性，有助于减小γ″/γ′相的大小[20]。Harris等人[21]证明，CMSX-4+La?超级合金在1389小时的蠕变测试后γ′相仍保持原有形状，因此其断裂寿命提高了两倍以上。La的添加还预期可以通过抑制有害的Laves相沉淀（如Y元素[10]）、生成纳米孪晶和细化强化相来改善高温性能，从而提高耐磨损性[22]。Wang等人[13]向耐磨钢中添加了0.5 wt%的La，形成了退火孪晶和热稳定的La2O3颗粒，这可以抑制位错滑移，提高LPBF制备的Haynes 230超级合金的高温延展性。因此，对LPBF制备的GH4169进行La微合金化可能为其进一步改善高温性能提供了一条有前景的途径。然而，目前仍缺乏对LPBF制备的GH4169中La微合金化作用及其强化机制的系统性研究。
LPBF过程中的超高温梯度和超快冷却速率可能会导致亚稳态微观结构的形成和内部应力的积累。通常需要通过热处理来调节微观结构并消除积累的应力。之前的研究[6,[23], [24], [25]表明，在SHT1080 + 980处理后，晶界（GBs）处形成了短棒状的δ相，有效抑制了GB的迁移和位错滑移。而在SHT980处理后，GBs处沉淀了多个针状δ相，容易引起应力集中和微裂纹。Zhang等人[25]报告，在650°C/760 MPa条件下，经过SHT1080 + 980处理后的最佳抗应力断裂寿命（t）为44.8 ± 1.7小时，伸长率（EL）为2.6 ± 0.5%。然而，γ″相是亚稳态的，容易转变为脆性的δ相，仅靠热处理无法从根本上抑制这种转变。因此，需要结合微合金化和热处理来改善微观结构和性能。
本研究系统地比较了不含La和添加了0.14 wt% La的GH4169超级合金在650°C下的微观结构特征和高温性能。结果表明，La不仅改变了晶间δ相的形态，还使晶内γ″/γ′相得到细化和均匀分布，从而提高了所有高温性能（t：46.6 ± 2.4小时，EL：6.2 ± 0.05%，UTS：1165 MPa，δ：25.5%）。通过结合电子显微镜、热力学模拟和第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，详细阐明了La诱导的微观结构和高温性能优化的机制。
章节摘要
材料制备
本文中使用的无La的GH4169和含有La的GH4169粉末（粒径15-63 μm）由中国北京航空材料研究院提供。通过正交实验设计对四种微量元素（C、B、La和P）的成分进行了调整，最终得到了九种不同的配方，详见表S1。LPBF工艺使用EOS M290 LPBF打印机（EOS GmbH Electro Optical Systems，德国慕尼黑）进行，以制备参考GH4169和含有La改性的合金
δ相的形态、大小和面积分数
图2显示，La显著改变了δ相的形状、大小和分布。0La合金中的δ相沿GBs聚集（图2(a)），而0.14La中的δ相主要以短棒状或球形存在（图2(c)）。在0.14La中，一些晶界处观察到了颗粒状碳化物（图2(c)）。图2(e)和f)显示，0La中δ相沿GBs的平均长度、宽度和面积分数分别为1529 ± 737 nm、396 ± 151 nm和6.38%。
La微合金化对Nb扩散的影响
0La中晶间δ相的形核和生长动力学主要受形核位点的可用性和Nb元素扩散的控制[9]。此外，晶内的位错群为Nb原子提供了快速的扩散路径。0.14La中显著的原子尺寸不匹配导致较大的La溶质原子能量不稳定，使其倾向于向GBs偏聚[62,63]。La的偏聚占据了GBs附近的自由体积和缺陷，从而限制了δ相的形核
结论
本研究制备了一种新型的La微合金化GH4169超级合金，具有优异的高温性能（抗应力断裂寿命：46.6 ± 2.4小时，断裂伸长率：6.2 ± 0.05%，抗拉强度（UTS）：1165 MPa，
δ相份额：25.5%）。基于电子显微镜分析和理论计算，系统地研究了相应的强化机制。主要结论如下：
微量La的添加显著改变了GH4169的沉淀行为。δ相的平均长度和厚度
CRediT作者贡献声明
Peiyu Jiang：撰写 – 原稿撰写，可视化设计，方法学研究，数据整理，概念构思。Denghao Yi：撰写 – 审稿与编辑，监督工作，方法学研究。Bingqing Chen：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金获取。Shuai Huang：撰写 – 审稿与编辑，研究工作，资金获取。Dongyun Zhang：撰写 – 审稿与编辑，监督工作，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
Peiyu Jiang|Denghao Yi|Bingqing Chen|Shuai Huang|Dongyun Zhang
